« La lumière, source de révolutions conceptuelles », une conférence ce mercredi à Lyon

David Amans, physicien et enseignant-chercheur au laboratoire l’Institut Lumière Matière, sera l’un des deux intervenants de la prochaine conférence des Mercredis de l’Anthropocène de l’Ecole Urbaine de Lyon. Découvrez ci-après une tribune signée par le chercheur, pour entrer dans cette passionnante thématique.

La lumière a une place particulière dans l’histoire des sciences. L’étude de sa nature, de ses propriétés ou de ses interactions avec la matière a entrainé des évolutions conceptuelles de rupture dans le domaine de la physique.

Pour commencer sa vitesse de propagation dans le vide, 299 792 458 m/s, est si grande qu’elle se situe en dehors de ce que l’humain peut se représenter, laissant historiquement une place légitime aux questionnements sur sa nature finie ou infinie. Dans le livre Dialogue sur les deux grands systèmes du monde (1632), une commande du pape Urbain VIII à Galilée, plus connue pour l’inclinaison qu’y distille Galilée pour le système héliocentrique aux dépens du système géocentrique, on trouve une des premières descriptions d’une expérience visant à mesurer la vitesse de la lumière. Galilée décrit une expérience s’appuyant sur la dextérité d’opérateurs à manipuler des lampes munies de caches. Mais l’expérience est un échec, car mal dimensionnée, les réflexes humains étant beaucoup trop lents au regard de la vitesse de la lumière.

Mesurer la vitesse de la lumière, un véritable défi scientifique

Une des premières évidences de la valeur finie de la vitesse de la lumière viendra de l’astronomie, où les distances engagées sont sa mesure. En s’appuyant sur les observations par Cassini des éclipses par Jupiter de son satellite Io, Ole Christensen Rømer proposera en 1676 que les décalages dans le temps observés sur la périodicité des éclipses étaient liés à l’évolution de la distance qu’avait à parcourir la lumière entre Io et la Terre, donc à une valeur finie de sa vitesse.

Christian Huygens en déduira une valeur dans son traité de la lumière (1690), environ 225 000 000 m/s. D’autres observations suivront en astronomie, puis ainsi munis d’une première estimation permettant de dimensionner convenablement des expériences terrestres, viendra le temps de la métrologie, avec la mère des expériences, la mesure par Fizeau en 1849 de la vitesse de la lumière entre Montmartre et Suresnes à l’aide d’une expérience alliant optique et mécanique fine. La valeur ainsi obtenue, approximativement 315 300 000 m/s, se trouve seulement à 5% de la valeur maintenant fixée. Il nous faut alors souligner plusieurs conséquences pour les sciences modernes découlant de ces mesures.

Tout d’abord les méthodes permettant de mesurer la vitesse de la lumière s’affineront, jusqu’à atteindre une précision si grande avec l’apparition du laser en 1960, que le prototype international du mètre de 1889 (barre de platine-iridium gravée où un mètre représente un dix millionième d’un quart du méridien terrestre) ne définira plus le mètre avec une précision suffisante pour les besoins de la métrologie. Entre 1960 et 1983, le mètre sera brièvement défini par une résolution de la conférence générale des poids et mesures à partir d’une émission optique du krypton. Mais en 1975 la vitesse de la lumière dans le vide sera fixée à 299 792 458 mètres par seconde, constatant la convergence des différentes mesures.

Il devient alors inutile de disposer d’un étalon pour le mètre, ce dernier pouvant être défini par rapport à la seconde, elle-même définie en 1967 à partir d’une transition optique du césium. Alors, à partir de 1983, le mètre correspondra à la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 secondes. 40 ans plus tard, ce paradigme est généralisé à l’ensemble des unités du système international : substituer aux étalons artificiels un ensemble de constantes universelles dont les valeurs sont maintenant fixées, les constantes de Planck et Boltzmann, la charge élémentaire de l’électron, la vitesse de la lumière etc.

Quand la lumière mène à la théorie de la relativité d’Einstein

Ceci nous amène à l’invariance de la vitesse de la lumière par changement de référentiel. Si vous marchez dans un train, votre vitesse par rapport au quai de la gare est la somme algébrique de votre vitesse par rapport au train et de la vitesse du train par rapport au quai. Eh bien, si le voyageur est la lumière, la composition ainsi décrite n’est pas valable. La vitesse de la lumière par rapport au train est identique à la vitesse de la lumière par rapport au quai. Cela revient à dire qu’il n’y a pas de référentiel absolu pour la lumière, rôle qu’était supposé joué l’éther, hypothétique milieu support à sa propagation.

Cette absence de composition est démontrée par l’expérience de Michelson-Morley (1881-1887). La prise en compte de cette invariance en mécanique conduira à la construction de la théorie de la relativité restreinte, formellement énoncée par Einstein en 1905, et marque l’abandon de la notion de temps absolu. La relativité, fille de l’histoire de la métrologie de la lumière, permet le fonctionnement d’outils technologiques dont nous pourrions maintenant difficilement nous passer, tels que le GPS.

La problématique de l’existence de l’éther constituait l’un des nuages du célèbre discours de Lord Kelvin en 1900 à la Royal Institution of Great Britain. La connaissance en physique apparaissait à Lord Kelvin semblable à un grand ciel bleu, à l’horizon duquel subsistaient seulement deux petits nuages. Le premier nuage, la nature de l’éther, donnera donc naissance à la relativité, le second était lié à une divergence entre la mesure de la capacité des corps à emmagasiner de la chaleur et le modèle en vogue, une problématique identique à la description du rayonnement du corps noir, c’est-à-dire à la relation entre la température d’un corps et le spectre optique qu’il émet. Le spectre du soleil par exemple.

De la lumière à la mécanique quantique

A cela s’ajoutait une mauvaise compréhension de l’effet photoélectrique, soit l’extraction d’une charge de la matière par l’absorption de lumière. L’effet photoélectrique sera finalement expliqué par Einstein, encore en 1905. Tout comme pour le corps noir, il ne fallait pas penser la lumière uniquement comme une onde (approche nécessaire pour expliquer les interférences, la diffraction, l’iridescence), mais il pouvait parfois être plus pertinent de la représenter comme un flux de corpuscules, transportant chacun un quanta d’énergie, les photons.

Cette dualité onde-corpuscule est l’un des points de départ de la mécanique quantique, actant la fin du déterminisme, et permettant la description d’états contre-intuitifs, popularisée par l’image qu’en donna Schrödinger avec son chat à la fois mort et vivant. La mécanique quantique permettra la description fine de l’atome, de la matière, notamment du comportement des électrons dans la matière. Sans mécanique quantique, pas de laser, pas d’électronique, donc pas d’ordinateur ni de téléphone portable et bien d’autres objets qui nous sont si indispensables aujourd’hui.

« La lumière a guidé la manière dont nous mesurons le monde »

L’étude de la lumière a guidé la manière dont nous mesurons le monde, la compréhension de ses interactions avec la matière a provoqué au début du XXe siècle une révolution conceptuelle avec l’émergence de la mécanique quantique et de la relativité. Dans nos laboratoires nous continuons à explorer les ramifications de ces théories. La lumière y est tout à la fois un outil et un objet d’étude. Sa production et sa manipulation contrôlées font l’objet de recherches avec pour finalités des applications en optoélectronique, en photonique, en cryptographie quantique, en imagerie pour atteindre des résolutions temporelles et spatiales ultimes.

La lumière est également un vecteur d’information, soit en transportant de l’information sur de grandes distances (astronomie, télécommunication), soit en servant de sonde. Son analyse après son interaction avec la matière fournit de nombreuses informations sur la matière telles que sa composition ou sa structure. Nous développons donc des expériences à cet effet.

C’est également un outil qui nous permet de structurer la matière pour fabriquer de nouveaux objets. L’ablation laser par exemple permet de produire des nanoparticules utiles en catalyse (dégradation de toxique de guerre, production de dihydrogène pour les énergies propres …), mais également en imagerie médicale.

La lumière est donc tout à la fois une finalité et un outil.

« La lumière à l’heure de l’anthropocène, mercredi 4 décembre, de 18h30 à 20h aux Halles du Faubourg.

Intervenants

– David AMANS est physicien, enseignant-chercheur au laboratoire l’Institut Lumière Matière, en co-tutelle CNRS et Université Claude Bernard Lyon 1.
– Anna-Eva BERGE est artiste plasticienne. Dissimulée derrière l’acronyme A.I.L.O (Atelier d’Immersion Lumineuse et Obscure), elle expérimente les processus d’interaction entre lumière et obscurité, palpable et impalpable, réalité et reflet, pour créer des volumes, des installations ou des sculptures.